光电检测技术2
第2章--光电检测技术基础分解
可分为:热释电效应、辐射热计效应及温差电效应
1、 热释电效应
介质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象。
物理本质：极化晶体
极化晶体：在外电场和应力为零情况下自身具有自发极化的晶体，原因是内部电偶极矩不为零(正负电荷中心不重合)，表面感应出束缚电荷。
光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起因
光电效应的起因： 在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。 这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不是光电效应，而是热电效应。
平衡和非平衡载流子
处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。 半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。
半导体的特性
半导体电阻温度系数一般是负的（温度升高，电阻下降），而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，可以制作热电探测器件。 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。（纯净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆•厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆•厘米)) 半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。
光电导效应示意图
L
S
本征半导体样品
光电检测技术课后部分答案
第一章1.举例说明你知道的检测系统的工作原理激光检测一激光光源的应用用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字，会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。
山于仿制困难，故用于辨伪很准确。
2.简述光电检测系统的组成和特点组成：（1）光学变换：时域变换-------调制振幅，频率，相位，脉宽空域变换-------光学扫描光学参量调制：光强，波长，相位，偏振形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。
（2）光电变换，变换电路，前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）（3）电路处理放大，滤波，调制，解调，A/D，D/A，微机与接口，控制。
第二章1.试归纳总结原子自发辐射，受激吸收，受激辐射三个过程的基本特征。
自发辐射：处于激发态的原子在激发态能级只能一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出光子。
受激辐射：在外来光的作用下，原子从激发态能级跃迁到低能级，并发射一个与外来光完全相同的光子。
受激吸收：处于低能级的原子，在外来光的作用下，吸收光子的能量向高能级跃迁。
2.场致发光（电致发光）有哪几种形式，各有什么特点结型电致发光（注入式发光）：在p-n结结构上面加上正向偏压(即p区接电源正极，n区接电源负极)时，引起电子由n区流入(在物理上称为“注入”)p区，空穴由p区流入n区，发生了电子和空穴复合而产生发光。
粉末电致发光：这是在电场作用下，晶体内部电子与空穴受激复合产生的发光现象。
两电极夹有发光材料薄膜电致发光：薄膜电致发光和粉末电致发光相似，也是在两电极间夹有发光材料，但材料是一层根薄的膜，它和电极直接接触，不混和介质。
3.为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光加正向偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入，产生电子和空穴的复合，从而释放能量，并产生电致发光现象。
4.发光二极管的外量子效率与射出的光子数，电子空穴对数，半导体材料的折射率有关。
光电检测技术与应用
的总时间内必须是选通状电检测系统典型电路 完整的检测电路设计：前几部分由光电转换二极管与前级放大器组成，其器件选用高性能低噪声运算 放大器来实现电路匹配并将光电流转换成电压信号，以实现数倍的放大。 CCD 驱动电路时序方法：直接数字电路驱动方法、单片机驱动方法、EPROM 驱动方法、专用 IC 驱动 方法 为了解决视频信号在实际应用时，物像边缘明暗交界处光强是连续变化而不是理想的阶跃跳变，可用 比较整形（阈值发）和二次微分（微分法）。 电子细分的方法：移相电阻链细分、幅度分割细分、计算法细分 光生伏特器件可否进行反向偏置？哪些光电器件工作时必须进行反向偏置？ 可以，所有的光生伏特器件都可以进行反向偏置。光敏晶体管、光电场效应晶体管、复合光敏晶体等 必须进行反向偏置。 已知某光敏晶体管的伏安特性曲线见图 6-6.当入射光通量为正弦调制量，即 时，要得到 4.5V 的输出电压，试设计该光敏晶体管的变换电路，并画出输入/输出的波 形图，分析输入与输出信号间的相位关系。 根据题目的要求，找到入射光通量的最大值和最小值：
1) 2) 3) 4)
5) 将循环码转变成二进制或二进制转变为循环码，课本 222 页 6) 用相位法测距时，选用准确度皆为千分之一的两把尺子，一把尺子的测尺长度为 10m，另一把尺子的 测尺长度为 1km，若测距为 462.153m，两把尺子测得的有效数字各为多少？ 尺子 ，准确度为 1cm 用 测得 2.153cm ，有效数字为四位 尺子 ，准确度为 1m 用 测得 462m ，有效数字为四位。
则暗点流电阻为：
有光照时，串联电路中的电流为：
则亮电流电阻为：
(ii)
该光敏电阻的光电导为：
由光电导灵敏度：
得：
6) 已知 CdS 光敏电阻的暗电流电阻 ，在照度为 100lx 时亮电阻 ，用此光敏电阻控 制继电器，如图 3-116 所示，如果继电器的线圈电阻为 ，继电器的吸合电流为 2mA ，问需要多 少照度时才能使继电器吸合？如果需要在 400lx 时继电器才能吸合，则此电路需要作如何改进？ (i) 该光敏电阻的光电导为：
《 光电检测技术 》教学大纲
《光电检测技术》教学大纲课程代码：课程中文名：光电检测技术课程英文名：课程类别：专业技术科适用专业：光伏材料应用、光伏发电应用、电子技术等专业课程学时： 48学时课程学分： 3学分一、课程的专业性质、地位和作用（目的）1、性质：必修2、地位：光电检测技术是光学与电子学技术相结合而产生的一门新型检测技术，它是利用电子技术对光学信息进行检测，并进一步传递、存储、控制、计算和显示。
光电检测技术是现代检测技术最重要的手段和方法之一。
3、作用：通过本课程的教学，使学生了解和掌握各种光电器件的结构、工作原理、工作过程、工作特性及其基本的应用，培养学生通过了解器件的性能特点来搭建检测系统的能力，培养学生学习的能力和综合运用知识的能力，培养学生理论联系实际的学风和科学态度，提高学生的分析处理实际问题的能力，为以后的工作和学习打下基础。
二、教学内容、学时分配和教学的基本要求第一章光电检测应用中的基础知识6学时，其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0 学时1.1 辐射度学和光度学基本概念1.2 半导体基础知识1.3 基本概念1.4 光电探测器的噪声和特性参数重点:辐射度学和光度学基本概念难点:光电探测器的噪声和特性参数教学要求:本章介绍了光电检测应用中的基础知识，要求学生对基本概念有理解，进而掌握光电探测器的噪声及特性参数第二章光电检测中的常用光源3学时，其中理论教学3学时，实践或其他教学0学时2.1 光源的特性参数2.2 热辐射源2.3 气体放电光源2.4 固体发光光源2.5 激光器重点：光源的特性参数难点：气体、固体发光光源和激光器的工作原理教学要求:本章要求学生掌握各种固体发光的工作原理及其应用第三章结型光电器件 6 学时，理论教学6 学时，实践或其他教学0学时3.1 结型光电器件工作原理3.2 硅光电池3.3 硅光电二极管和硅光电三极管3.4 结型光电器件的放大电路3.5 特殊结型光电二极管3.6 结型光电器件的应用举例——光电耦合器件重点：结型光电器件的工作原理；硅光电池的工作原理及特性；硅光电二极管和硅光电三极管的性能比较难点：结型光电器件的放大电路及应用举例——光电耦合器件教学要求：要求学生掌握硅光电池的工作原理；硅光电二极管和硅光电三极管的性能比较及结型光电器件的放大电路及应用——光电耦合器件第四章光电导器件6学时，其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时4.1光敏电阻的工作原理4.2 光敏电阻的主要性能参数4.3 光敏电阻的偏置电路和噪声4.4 光敏电阻的特点和应用重点：光敏电阻的工作原理和特性参数难点：光敏电阻的应用教学要求：要求学生掌握光敏电阻的工作原理及性能参数及光敏电阻的应用第五章真空光电器件3学时，其中理论教学3学时，实践或其他教学0学时5.1 光电阴极5.2 光电管与光电倍增管5.3 光电倍增管的主要特性参数5.4 光电倍增管的供电和信号输出电路5.5 微通道板光电倍增管5.6 光电倍增管的应用重点：光电管与光电倍增管的工作原理、特性参数难点：光电倍增管的供电和信号输出电路及应用教学要求：要求学生掌握光电管与光电倍增管的工作原理、特性参数及实际应用第六章真空成像器件3学时，其中理论教学3学时，实践或其他教学0学时6.1像管6.2常见像管6.3摄像管6.4光导靶和存储靶6.5摄像管的特性参数6.6摄像管的发展方向重点：像管与摄像管的工作原理难点：光导靶和存储靶的原理及摄像管的特性参数教学要求：要求学生掌握像管与摄像管的工作原理及特性参数第七章固体成像器6学时，其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时7.1 电荷耦合器件7.2 电荷耦合器件的分类7.3 CCD摄像机分类7.4 CCD的特性参数7.5 自扫描光电二极管阵列7.6 固体摄像器件的发展现状和应用重点：电荷耦合器件的工作原理；CCD的特性参数难点：自扫描光电二极管阵列教学要求：要求学生掌握CCD固体成像器件的工作原理第八章红外辐射与红外探测器6学时其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时8.1 红外辐射的基础知识8.2 红外探测器8.3 红外探测器的性能参数及使用中应注意的事项8.4 红外测温8.5 红外成像8.6 红外无损检测8.7 红外探测技术在军事上的应用重点：红外探测器的工作原理、性能参数及使用中应注意的事项难点：红外探测器的具体应用教学要求：要求学生掌握红外辐射的基础知识，并掌握红外探测器的各种具体应用第九章光导纤维与光纤传感器6学时其中理论教学 6 学时，实践或其他教学0学时9.1 光导纤维基础知识9.2 光导纤维的应用9.3 光纤传感器的分类及构成9.4 功能型光纤传感器9.5 非功能型光纤传感器重点：光导纤维的基础知识及功能型光纤传感器的工作原理难点：非功能型光纤传感器的工作原理教学要求：要求学生掌握光导纤维的基础知识，并掌握光纤传感器的工作原理第十章太赫兹波的产生与检测3学时其中理论教学 3 学时，实践或其他教学0学时10.1 概述10.2 THz辐射光谱学10.3 THz辐射成像重点：THz辐射成像的原理难点：THz辐射成像的原理教学要求：要求学生掌握THz辐射成像的原理三、各章节教学课时分配表本课程各部分教学内容计划学时数分配如下：四、课程的考核办法和成绩评定：1、考试 2.笔试（闭卷）3.平时成绩比重：平时成绩（包括考勤、作业、答疑、课堂练习、课外实验、等）占30%4.期末成绩比重:卷面考试占70%。
光电检测技术第二版答案
光电检测技术第二版答案篇一：《光电检测技术-题库》(2) 】、填空题1. 对于光电器件而言，最重要的参数是、和。
2. 光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和等构成。
3. 光电三极管的工作过程分为和。
4. 激光产生的基本条件是受激辐射、和。
5. 非平衡载流子的复合大致可以分为和。
6. 在共价键晶体中，从最内层的电子直到最外层的价电子都正好填满相应的能带，能量最高的是填满的能带，称为价带。
价带以上的能带，其中最低的能带常称为，与之间的区域称为。
7. 本征半导体在绝对零度时，又不受光、电、磁等外界条件作用，此时导带中没有，价带中没有，所以不能。
8. 载流子的运动有两种型式，和。
9. 发光二极管发出光的颜色是由材料的决定的。
10. 光电检测电路一般情况下由、、组成。
11. 光电效应分为内光电效应和效应，其中内光电效应包括和，光敏电阻属于效应。
12. 半导体对光的吸收一般有、、、和这五种形式。
13. 光电器件作为光电开关、光电报警使用时，不考虑其线性，但要考虑。
14. 半导体对光的吸收可以分为五种，其中和可以产生光电效应。
15. 光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和等构成，光电倍增管的光谱响应曲线主要取决于材料的性质。
16. 描述发光二极管的发光光谱的两个主要参量是和。
17. 检测器件和放大电路的主要连接类型有、和等。
18.. 使用莫尔条纹法进行位移- 数字量变换有两个优点，分别是和19. 电荷耦合器件( ccd )的基本功能是和。
20. 光电编码器可以按照其构造和数字脉冲的性质进行分类，按照信号性质可以分为和。
21. 交替变化的光信号，必须使所选器件的大于输入信号的频率才能测出输入信号的变化。
22. 随着光电技术的发展，可以实现前后级电路隔离的较为有效的器件是。
23. 硅光电池在偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。
24. 发光二极管的峰值波长是由决定的。
光电检测技术与应用(第2版)郭培源学习
8
光电信息技术
9、光电人工智能和机器视觉 10、光（电）逻辑运算和光（电）计算机及光电数据存储 11、生物光子学
本课程着重在第5、6、7三个方面的一些基本知识，
电控制一体化。 向人们无法触及的领域发展。 光电跟踪与光电扫描测量技术。
23
光电检测技术的应用
一、在工业生产领域的应用
在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位…. 现代工程装备中，检测环节的成本约占50~70%
24
检测技术在汽车中的应用日新月异
汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。
即：光电检测的元器件、系统、方法和应用。
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光电检测技术
检测与测量 光电传感器：
– 基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件 – 将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。
光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。
它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合 利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量
非PN结 电子管类
其他类
实例
PN光电二极管（Si,Ge, GaAs) PIN光电二极管（Si） 雪崩光电二极管(Si, Ge) 光电晶体管(Si) 集成光电传感器和光电晶闸管(Si)
光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 光电管，摄像管，光电倍增管
色敏传感器
固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）
光电检测技术
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光电检测系统
光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为 基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、 反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通 过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。
由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息， 再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理， 最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。
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光电检测系统各部分的功能：
（1）光源和照明光学系统：
考虑光源的辐射功率、光谱范围、发光空间 分布；
发出的光作为载波或者被测对象； 照明光学系统的分类
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（2）被测对象及光学变换：
➢ 光学变换：通过光学元件和光学系统把待测量转换为 光参量
➢ 光学系统可以根据不同的光学性质、光学效应，其结 构形式不同
光量：光通量或光强度 光特性：光波的幅值、频率、相位、偏振
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三、光电检测技术的主要内容
光电检测技术的主要内容是通过光学系统把携带被测信 息的非电量信息变换成便于接收的光学信息，然后用 光电探测器将光学信息变换成电量，并进一步经电路 放大、处理等，达到输出的目的。
信息变换技术和电信号处理技术。 信息变换技术：非电量变换成光学量
光电检测技术
Optoelectronics Detection Technology
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课程主要内容
光电检测技术是以半导体、激光、红外、光纤等现代光电子器件
作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接收光辐 射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用 信息，再经模、数转换接口输入计算机运算处理，最后显示输出 所需的检测物理量等参数。
光电检测原理与技术--第2章光电检测技术基础
注意事项：
• 系统误差是测量过程中某一突出因素变化所引起的，随机 误差是测量过程中多种因素微小变化综合引起，两者不存 在绝对的界限。
c、粗大误差（Gross error）
2.1 检测量的误差及数据处理
一、 前言 二、 测量过程与误差的基本概念 三、 随机误差 四、 系统误差
一、前言
1、研究误差的意义
（1）、 确定测量误差是整个测量过程不可缺少的重要环 节。对于不知其测量误差的测量结果，往往是无法应用从而也
是无意义的。 例：机加工中，制造与某个孔相配合的轴。
（2）、误差理论是保证和提高测量准确性必要的理论依据。
例：用台式血压计测量人体血压。
测量仪器、测量方法、测量人员、测量环境、 测量对象等都会产生误差。
二、 测量过程与误差的基本概念
1、测量过程与标准
(1)测量：借助于专门设备，以确定被测对象的量值为目的所 进行的操作。它是一个比较过程，即通过一定的实验方法将被 测量与一个作为比较单位的标准量相比较的过程。 测量包括测量过程和测量结果。
试比较两电压测量结果准确度的高低。
解：A、B两电压测量结果的相对误差分别为：
rA
A xA
1.0 100.0
1%
通过比较可知A的准确度高于B
rB
B x
0.2 5.0
4%
的准确度。
c、额定相对误差
一种简化和方便实用的主要用于表示电表的误差，广泛用在电工和热工仪表方面，少 数无线电测量仪器也用这种误差表示方法。
定义：又称“疏失误差”或“寄生误差”，明显超出在 规定条件下预期的误差。 特征：明显的歪曲测量结果。成因可归纳为测量条 件突变或人为因素。
《光电检测技术》PPT课件
Lcos
与法线成θ角方向上的辐射强度ΔΙθ为
I
LA c os
I0 cos
即：在某一方向上的辐射强度等于这个面垂直方向上的辐射强度 乘以方向角的余弦
4. 朗伯辐射源的L与M关系
2
M L
cosd L0
d 2 cos sind L 0
= 1 metres
尺 1 Decimetre
分 米 = 1 dm
=
10-1 metres
1 Centimetre
厘 米 = 1 cm
=
10-2 metres
1 Millimetre
毫 米 = 1 mm
= 10-3 metres
1 Decimillimetre 丝 米 = 1 dmm =
10-4 metres
五、辐射传输中的相关定律
考虑到辐射在介质和光学元件的表面反射、内部吸收和散射 情况
1. 总功率定律
由能量守恒定律
Pi P P P
定义：反射率：
P
Pi
吸收率： 透过率：
P
则：
Pi
P
Pi
1
26
注意点： 1. 反射率、吸收率、透过率通常随辐射光波长发生变化； 2. 影响反射率的主要因素是：材料种类、表面特性、入射角； 3. 影响吸收率的主要因素是：材料种类、均匀性、温度； 4. 透射率是被动的，随材料的反射率和吸收率而变化。
辐能密度定义为单位体积元内的辐射能，即
dQ
dV
4. 辐射通量（Φ，P）
单位时间内的辐射能
dQ 、 P dQ
dt
dt
7
5. 辐射强度（ I ）
2常见光学元件
需要较大的单晶材料，不仅造价昂贵，而且也不
容易得到。此外，偏振棱镜的使用还受到有效孔径角
的限制。因此，在更多的场合，都采用偏振片来产生
线偏振光。 偏振片 散射型偏振片 二向色型偏振片 玻璃堆偏振片 介质膜偏振片
2.5 偏振器
散射型偏振片 双折射晶体以散射方式起偏的器件。它本身为无 色的，而且对可见光范围内多种色光的透过率几乎相 同，又很容易制作成比较大通光面积，所以，它特别 适合用于真实地反映自然光中各种光成分的彩色电视 和彩色电影. 二向色型偏振片 一种带有墨绿色的塑料偏振片。 二向色性是指，有些材料对某一振动方向的平面 偏振光几乎完全没有吸收，而对与之垂直的振动方向 的平面偏振光具有非常大的吸收系数。
2.6 波片
四分之一波片 半波片的相位延迟为φ=(2m+1)π/2，(m=0,±1,
±3)，相应的晶体厚度为
2m 1 d n0 ne 4
线偏振光通过半波片后，为椭圆偏振光，当入
率达到99.99%。一般说来,只要镀15层以上,就能使
反射率达到99.9%。
2.1 反射器
镀膜技术
多层介质膜能实现所需要的反射率的基本原理是
薄膜中的多光束干涉效应，通过改变介质材料和膜层
系数，改变光学元件的反射率和透射率的比例。
从物理上看，这种结构之所以使R大增，是由于
在各界面上的反射波相位交替变化1800，使得入射面
亮条纹极其细锐。
2.2 法布里—珀罗标准具
F-P标准具的透射特性 根据平行板多光束干涉理论,F-P标准具的光强透 过率为: T=1/(1+Fsin2(φ /2))，其中φ 为到达屏上的 两相邻光束间的相位差。 T 等倾干涉 激光器谐振腔 1.0
光电测试技术第2章基本光学量的测试技术(5／6)
b)边缘焦点和 近轴焦点之间
b)
c) d)
y
y
x
x
c)近轴焦点前 d)近轴焦点处
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§2-5 刀口阴影法检验
1. 刀口阴影法基本原理
被测件
1.3 刀口仪的光路和结构 用阴影法观察小波孔面光误阑差转，盘光聚路光的镜安排有灯自泡准直调节和螺非钉自准
直两种。自准直和非自准直光路所看到的阴影图基本相 同6，0°但进行定量检验时必须考虑到自准直光路光光线两
TW x ,W y 10
W x cos1W y sin1R r1 W x cos1W y sin1R r1
阴影图的形状决定于分界线：
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W xcos1W ysin1R r1
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§2-5 刀口阴影法检验
§2-5 刀口阴影法检验 y 1. 刀口阴影法基本原理
1.2 刀口阴影法的几何原理
例子：球差+离焦误差
再假设刀口位于光轴上，即r1＝0
y3x22D Ay4A r1R0
y
y3 x2 2DAy0
x
a) y
x
y2
x2
D
2A
y 0
a)边缘焦点后
1. 刀口阴影法基本原理
1.2 刀口阴影法的几何原理
例子：离焦误差
其波像差为
W(x,y)D(x2y2)
阴影边界线为（直线）xcos1ysin12rD 1R
设刀口平行于y轴， 1 0 （平行y轴的直线）
x r1 2DR
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§2-5 刀口阴影法检验
W (x ,y ) A (x 2 y 2 )2 D (x 2 y 2 )
光电检测
第1章概述光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一，它主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。
如用光电方法实现各种物理量的测量，微光、弱光测量，红外测量，光扫描、光跟踪测量，激光测量，光纤测量，图像测量等。
光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量，他具有如下特点：（1）高精度。
光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种。
如用激光干涉法测量长度的精度可达0.05μm/m；光栅莫尔条纹法测角可达到；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可达到1m。
（2）高速度。
光电测量以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。
（3）远距离、大量程。
光是最便于远距离粗寒痹的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。
（4）非接触测量。
光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种。
（5）寿命长。
在理论上光波是永不磨损的，只要复现性做得好，可以永久的使用。
（6）具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。
用光电方法还便于信息的控制和存储，易于实现自动化，，易于与计算机连接，易于实现只能化。
光电测试技术是现代科学、国家现代化建设和人民生活中不可缺少的新技术，是机、光、电、计算机相结合的新技术，是最具有潜力的信息技术之一。
1.1本课题的前景与意义随着社会科学技术的迅速发展，人们对报警器的性能提出了越来越高的要求。
传统的报警器通常采用触摸式、开关报警器等。
这类报警器具有性能稳定、实用性强等特点，但是也具有应用范围窄等缺点。
而且安全性能也不是很好。
光电报警就很好的改善了这些方面。
如今，光电报警器已经广泛应用到工农业生产、自动化仪表、医疗电子设备等领域本实验的设计借助于模拟电路和数字逻辑电路，采用模块化的设计思想，使设计变得简单、方便、灵活性强。
《光电检测技术-题库》(2)
《光电检测》题库一、填空题1.对于光电器件而言，最重要的参数是、和。
2.光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和等构成。
3.光电三极管的工作过程分为和。
4.激光产生的基本条件是受激辐射、和。
5. 非平衡载流子的复合大致可以分为和。
6.在共价键晶体中，从最内层的电子直到最外层的价电子都正好填满相应的能带，能量最高的是填满的能带，称为价带。
价带以上的能带，其中最低的能带常称为，与之间的区域称为。
7.本征半导体在绝对零度时，又不受光、电、磁等外界条件作用，此时导带中没有，价带中没有，所以不能。
8.载流子的运动有两种型式，和。
9. 发光二极管发出光的颜色是由材料的决定的。
10. 光电检测电路一般情况下由、、组成。
11. 光电效应分为内光电效应和效应，其中内光电效应包括和，光敏电阻属于效应。
12.半导体对光的吸收一般有、、、和这五种形式。
13. 光电器件作为光电开关、光电报警使用时，不考虑其线性，但要考虑。
14.半导体对光的吸收可以分为五种，其中和可以产生光电效应。
15.光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和等构成，光电倍增管的光谱响应曲线主要取决于材料的性质。
16.描述发光二极管的发光光谱的两个主要参量是和。
17.检测器件和放大电路的主要连接类型有、和等。
18..使用莫尔条纹法进行位移-数字量变换有两个优点，分别是和。
19.电荷耦合器件（CCD）的基本功能是和。
20.光电编码器可以按照其构造和数字脉冲的性质进行分类，按照信号性质可以分为和。
21.交替变化的光信号，必须使所选器件的大于输入信号的频率才能测出输入信号的变化。
22.随着光电技术的发展，可以实现前后级电路隔离的较为有效的器件是。
23.硅光电池在偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。
24.发光二极管的峰值波长是由决定的。
二、名词解释1. 光亮度：2. 本征半导体：3. N型半导体：4. 载流子的扩散运动：5. 光生伏特效应：6. 内光电效应：7.光电效应8.量子效率9.分辨率10.二次调制11.二值化处理12.光电检测技术13.响应时间14.热电偶15.亮度中心检测法三、判断正误1. A/D变换量化误差不随输入电压变化而变化，是一种偶然误差。
光电检测技术
如何选择最佳负载：作光电池伏安特性曲线，过Voc和Isc作特性曲线的切线，他们相交与PQ点，连接PQ点和原点O的直线即为最佳负载线。次直线与特性曲线交与PM，最大输出功率PM等于矩形O IM PM VM面积，此时流过负载RM上的电流为IM RM上的压降为VM
1、光电检测基本模型：光发射机（光源、光学系统）---光学信道（大气、光纤、水）---光接收机
2、光电检测技术优缺点：缺点：外界干扰光影响大，使用温度有限 优点：非接触式测量，响应速度快，检测范围宽，应用广。
3、光电效应：当光照射到物体上使物体发射电子，或导电率发生改变，或产生电动势等，这种因光照而引起物体电学性质的改变统称为光电效应。
4、外光电效应：物质受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应。
4.1、本征吸收：半导体材料吸收光电原因，在于光与处于各种状态的电子、晶格原子和杂质原子的相互作用。其中最主要的光吸收是由于光子的作用使电子由价带跃迁到导带而引起的，称为本征吸收；
14.5、PMT 的引起暗电流Id的因素：1）光电阴极和第一倍增极的热电子发射。2）极间漏电流，由于光电倍增管各级绝缘强度不够或极间灰尘放电引起漏电流。3）离子和光电反馈作用；4）场致放射；5）放射性同位素和宇宙射线的影响；
14.6、减少暗电流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方法：1）主要是选好PMT的极间电压。2）在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成分来补偿；3）在倍增管输出电路中加一选频或锁相放大滤波暗电流;4）利用冷却法减少热电子发射；
工作原理：？？？
29、光电检测电路由光电器件、输入电路、和前置放大器
30、将光电信号转换成0，1数字量的过程称为光电信号的二值化处理。
光电检测技术作业答案
光电检测技术作业 21.设某只CdS 光敏电阻的最大功耗为30mW 光电导灵敏度Sg = 0.5 X10 -6 S / lx ，暗电导g o =0。
试求当CdS 光敏电阻上的偏置电压为 20V 时的极限 照度。
解：由式(M) J=US 尸得最大照度 E 二(將)'二=22500 lx最小照度E 二丄J 二卩=150 lxUS US v2. 在如图所示的照明灯控制电路中，将上题所给的 CdS 光敏电阻用作光电传 感 器，若已知继电器绕组的电阻为 5 K ，继电器的吸合电流为 2mA ，电阻R 1K 。
求为使继电器吸合所需要的照度。
要使继电器在 3lx时吸合，问应如何调整电阻器 R ？W ：在照明控制电路中，入射辐射很强r=0•気 光敏电阴分压^220-0.002* (1+5)* 1000=208 ¥由 I t _US E r 得，E == 369.8 lxJ 罗 us s 在光滋民右3K 时，人射藏射■■逼弱，r=l,由U=220—0.002* <5+R) *1000,推出 S.E,故立电氏值调剰820 Q匸3. 在如图所示的电路中，已知R b 820 , R e 3.3 k ,U w4V ,光敏电阻为R p ,当光照度为40lx时输出电压为6V, 80lx时为9V。
设该光敏电阻在30~100lx 之间的值不变。
试求：（1）输出电压为8V时的照度。
（2）若R e增加到6k ，输出电压仍然为8V，求此时的照度。
（3）若光敏面上的照度为7 0lx，求R e 3.3 k 与R e 6k 时输出的电压。
（4）求该电路在输出电压为8V 时的电压灵敏度。
答：根据图示为恒流偏曽电路，流过稳压管的电流1广丛詳9.8mA 满足稳压管的工作条件 R 卜 82()(1)当 U W = 4V 时，I c = U- " Ubc= 4\° 7 = 1mAc R, IJ - u 由R 广 __得输出电压为6伏时电阻R,=6KV\,输出堪压为9伏时电阻 W 故“器誥％输出电压为8V 时，光敏电阻的阻值为R r =-^ 解得E-601x (2)与(1)类似.得到E=341x ( -个E 对应•个R)(3)当 R 严3.3KS 时，I e =lmA ?r=l, R P =6KV 解得 R p =3.4KV\U o = U bs ・ I.R 厂8.6V;当 R. =6KV 时,I t =O.55inA, U o =U bb ・ I.Rp=10. 13V⑷电路的电压灵敏度-詈耗讪(5)3.3*10'曲代"就4. 影响光生伏特器件频率响应特性的主要因素有哪些？为什么 PN 结型硅光电 二极管的最高工作频率小于等于10 7 Hz ？辭响光生伏特器件频率响应的主耍因求有三点：（1）直俠结区内产空的扯生毀漩了渡越结区的时问心，即漂移时问|<2）在門鉛区外产生的光生载流子护散到PN 结区内所需的时间4.即不散时间：（3）由PN^itl 容、曾芯电齟％及负载电班阳构成的RC 延迟时间和—对于門站型硅北応二极管，此生較流了的扩歆吋间鼻足嚴制莊光电二极曽颇率响应的主耍因武.由于光生報诜子的計散运功很慢，用此扩敢时问q 很长，釣为100ns.则加址薛_L 作魏率 土上丄 £ io'Hzfp .5为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再随入射照度的增大而增大？硅光电池的最大开路电压为多少？为什么硅光电池的有载输出电压总小于相同照度下 的开路电压？答，答：当光加强度増人到某个特定值时.硅光电池的结产生的光生载流f 数达到了最大位，即出现饱和，再増大光照强度，其开路电斥不再萌之増大.硅光电池的开路电压表达式为^ = — 祠）▼将r,=-^d-严2“代入世科 于输出电压/ =I L R L =["-匚（严即包含了扩散电流切B 和暗电流S 的影响.使即硅光电池的有载输出电压总小于开路电用❻06硅光电池的内阻与哪些因素有关？在什么条件下硅光电池的输出功 率最大？答：（1）极电容，串接电阻，串接电阻越小越好。
光电检测技术(第二版)_答案_(与教材匹配)_曾光宇_张志林_张存林_主编
光电检测技术（第二版）答案曾光宇张志林张存林主编清华大学出版社北京交通大学出版社附注：本答案通过网络收集汇总而成，只提供第1章到第5章的绝大部分答案。
其他章节以简答题为主，大多在书本上能找到解释，因此不花时间整理。
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第1章1-1：答案一：①波长为632.8nm的激光的视见函数值Vλ=0.265光通量ϕν，辐射通量ϕe,最大能光视效能Km=683lm/W发光强度I v ,亮度L v,光出射度M v②答案二： ①该激光束的光通量328.0102240.0683)(3-⨯⨯⨯==e m v V K φλφLm （流明）发光强度 )1028.3(102.44/)101(328.05523⨯⨯=⨯=∆Ω=-πφvv I Cd(坎德拉) 光亮度： )102.4(1035.54/)101(102.41111235⨯⨯=⨯⨯=∆=-或πS I L v v Cd/m 2 光出射度： 523102.44/)101(328.0⨯=⨯=∆=-πφSM vv Lm/m 2②10米远处光斑面积大小：52321085.7)10110(414.3)(4--⨯=⨯⨯=∆=θπL S m 2 反射光功率为： 33'107.110285.0--⨯=⨯⨯==P P ρW 反射光通量： 279.0240.0683107.1)(3''=⨯⨯⨯==-λφV K P m v Lm漫反射屏可以看作是个朗伯体，其法向发光强度I 0与光通量的关系是πφ/0=I ，由于朗伯体的光亮度与方向无关，所以：35'01013.11085.714.3279.0⨯=⨯⨯===-S S I L v v πφ Cd/m 2 1-2:30*4π 2=30*4*3.14*1.5*1.5 = 848lm1-3：根据维恩位移定律：T λm =B,B=2.897*10−3m ·K 解得T=6535K1-5：白噪声：指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。
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2.4 固体发光光源 固体发光光源又称平板发光器件或平板显示器。
平板显示器的厚度较薄，看上去就像一块平板。
主动发光型 平板显示(FPD)
被动发光型
主动发光型：媒质自己发光
被动发光型：靠媒质调制外部光源实现信息显示
按媒质和工作原理分：液晶显示(LCD)、等离 子体显示(PDP)、电致发光显示(ELD)和场致发光显 22 示(FED)
2.黑体模拟器 在许多光电仪器中，往往需要辐射源的温度特性 和光谱特性与理想黑体的特性相似。这种辐射源常称 为黑体模拟器，也称基准辐射源。 几种工 程黑体 的典型 结构
工程黑体的内腔呈简单的几何形状：球形、锥 形、圆柱型，或者是这些形状的组合。
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实用基准辐射源称为黑体炉，由石墨制做。 对黑体炉的要求:保温：外壁包一层较厚可以长 时间承受高温的热绝缘材料 ; 加热：用电加热线圈， 但线圈绕制、排列应保证均匀加热 ; 测温：用高精 度的热电偶检测辐射器空腔内的温度; 尺寸:为了使 温度均匀稳定，全辐射器空腔的几何尺寸的内腔长 度和出口直径比l/d＞1.5。
辐射出的光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的 色温。
相关色温 :在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某 若一个光源的颜色与任何温度下的黑体辐射的 一温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称 颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示。 为这个光源的相关色温。 分布温度:辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱 功率分布，与黑体在某一温度下辐射的相对光谱功率分布 一致，那么该黑体的温度就称为这个辐射源的分布温度。
V0 1 / 2 L L0 exp[( ) ] V
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交流粉末发光屏材料 :硫化锌(ZnS)，发光为绿 色，峰值波长为0.48～0.52µ m之间，发光亮度下降 到初始值的1/3～1/4所对应的寿命约为3000小时。
优点:光发射角大、光线柔和,寿命长、功耗小、 发光响应速度快、不发热。缺点:发光亮度低，驱 动电压高和老化快。 2.4.2．直流粉末场致发光屏
2.4.1．场致发光光源 场致发光是固体在电场的作用下将电能直接转 换为光能的发光现象，也称电致发光。
1．交流粉末场致发光屏
1-玻璃板； 2-荧光粉层； 3-高介电常数反射层； 4-铝箔； 5-玻璃板； 6-透明导电膜。 透明导电膜用氧化锡；高介电常数反射层用搪瓷 或钛酸钡；荧光粉层由ZnS、树脂和搪瓷等混合，厚 23 度很薄。玻璃板起支撑、保护和透光作用。
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2.2.1 太阳 太阳直径约为1.392×109m。它到地球的年平均 距离是1.496×1011m。从地球上观看太阳时，太阳的 张角只有0.533o。
太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射 平均辐亮度：2.01×107Wm-2sr-l 平均亮度：1.95×109cdm-2。 在大气层外，太阳对地球的辐照度值在不同的光谱 区所占的百分比为
主要作用：引出标准 谱线的光束；确定标 准谱线的分光位置； 确定吸收光谱中的特 征波长等。 主要用途：元素、微 量元素光谱分析的装 置中
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2.3.3 汞灯 分类
低压汞灯
高压汞灯 超高压汞灯
光谱能量分布：
低压汞灯发射253.7nm的紫外线;高压汞灯可见 光成分较多，高压汞灯内的气压有1~5个大气压，超 21 高压汞灯内的气压有10-200个大气压。
2.1.3 空间光强分布 在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量， 矢量的长度与该方向的发光强度成正比，称其为发 光强度矢量。 把各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面 上的发光强度分布曲线，也称配光曲线。 常用发光强度 矢量和发光强度曲 线来描述光源的空 间光强分布。右图 为气体发光源的光 强分布图。
黑体模拟器 的结构： 目前的黑体模拟器最高工作温度为3000K，而实 12 际应用的大多是在2000K以下。
3.白炽灯 白炽灯是光电测量中最常用的光源之一。白炽 灯发射的是连续光谱，在可见光谱段中部和黑体辐 射曲线相差约0.5％，在整个光谱段内和黑体辐射 曲线平均相差2％。 发光特性稳定,寿命长,使用和量值复现方便,因 而也可用作各种辐射度量和光度量的标准光源。 白炽灯有真空钨丝灯、充气钨丝灯和卤钨灯等。 充气钨丝白炽灯：内部充入和钨不发生化学反 应的氩、氮等惰性气体，使由灯丝蒸发出来的钨原 子在和惰性气体原子碰撞时，部分钨原子能返回灯 丝。这样可以抑制钨蒸发，使灯的工作温度可提高 到2700K～3000K，发光效率提高到17lm/W。 13
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气体放电光源具有的特点： 1. 发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高 2～10倍。 2. 由于不靠灯丝发光，电极可以做得牢固、紧凑、 耐震、抗冲击。 3. 寿命长。一般比白炽灯寿命长2～10倍。 4. 光色适应性强，可在较大范围内选择。 由于这些特点，气体放电光源具有很强的竞争力， 在光电测量和照明中得到广泛使用。
也可在灯泡内充入卤钨循环剂。 钨的再生循环：在一定温度下可以形成卤钨循环 : 即蒸发的钨和玻璃壳附近的卤素合成卤钨化合物，该 卤钨化合物扩散到温度较高的灯丝周围时，又分解成 卤素和钨。钨重新沉积在灯丝上，卤素被扩散到温度 较低的灯泡壁区域再继续与钨化合。 氯化碘和溴化硼 卤钨循环延长了灯 的寿命。灯的色温 可达3200K，发光效 率提高到30lm/W。
1.辐射效率和发光效率
在给定λ1～λ 2波长范围内，某一辐射源发出的 辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比，称 为该辐射源在给定光谱范围内的辐射效率
e e P
光源的光通量与 产生光通量所需的 电功率之比，是光 源的发光效率
2
1
e ( )d P
v K m 380 e ( )V ( )d v P P
照明光源：太阳、白炽灯、黑体辐射器、气体放 显示光源：CRT、PDP、LCD、ELD。 电灯等。 显示光源着重强调图像的清晰度、饱和度和对比度。 照明光源:着重强调电能转换为光能的效率和颜色 1;
§2.1Biblioteka 光源的特性参数特性参数主要有：辐射效率和发光效率、光谱功 率分布、空间光强分布、光源的颜色和光源的色温。
或者说物体反射光在人眼 内产生的颜色感觉
当光源照射物体时，物体呈现的颜色与该物体 在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，就是 该光源的显色性。
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2.1.5 光源的色温 黑体的温度与它的辐射特性是一一对应的。从光 一般光源，经常用色温、相关色温和分布温度表示。 源颜色与其温度的关系，引出了颜色温度的概念(即色 色温:如果辐射源发出的光的颜色与黑体在某一温度下 温) 。
1-防潮层； 2-第一电极； 3-硫化锌薄膜； 4-透明导电层； 5-玻璃基板
在薄膜的两电极间施加适当的电压就可发光。 一般有交流和直流薄膜电致发光屏两种形式。交流 橙和绿两种颜色，直流主要有橙黄和绿两种颜色。
薄膜发光屏特点:均匀致密、分辨力高，对比度 好，驱动电压低。可用于隐蔽照明，固体雷达屏幕显 26 示和数码显示等。
氘灯的 外形及 其紫外 光谱分 布图。
氘灯的紫外线辐射强度高、稳定性好、寿命长， 常用作各种紫外分光光度计的连续紫外光源。 19
2.3.2．原子光谱灯 原子光谱灯又称空心阴极灯，其结构如下图所示。 阳极和圆筒形阴极封在玻壳内，玻壳上部有一透明石 英窗。工作时窗口透射出放电辉光，其中主要是阴极 金属的原子光谱.
第2章 光电检测中的常用光源 电子学中：电源，光电子学中第一个接触的是光源。 光电检测中 : 电光源是最常用的。按光波的时、 空相位特征，光源分成相干光源和非相干光源：
相干光源:其光波能在时间和空间上相位同步。
即一种无限连续光波 相干光源有：激光、非线性光学器件。
非相干光源有：显示光源、照明光源和信息处理光源。
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2.光谱功率分布 光源发出的一般是复色光，而且在不同频率 上辐射出的光功率的大小不同。光功率和频率的 这种关系，用光谱功率分布来描述。
经过归一化后的光谱功率分布 光谱功率分布有四种：线状光谱、带状光谱 称为相对光谱功率分布 、连续光谱和混合光谱。
线状光谱
带状光谱
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连续光谱
混合光谱
选择光源：光谱功率分布应由测量对象的要求 来决定。 对目视光学系统:一般采用可见区光谱辐射比较 丰富的光源。 对彩色摄影:采用类似于日光色的光源，如卤钨 灯、氙灯等。 在紫外分光光度计中，通常使用氘灯、汞氙灯 4 等紫外辐射较强的光源。
选择光源: 应综合考虑光源的强度、稳定性和 7 光谱特性等性能。
§2.2 热辐射源
M eB (T ) T 4
根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律知，物体只要其温度 大于绝对零度，就会向外界辐射能量，其辐射特性 与温度的四次方有关。 物体由于温度较高而向周围温度较低环境发射 能量的形式称为热辐射，这种物体称为热辐射源 热辐射源有：太阳、白炽灯、黑体辐射器、 气体放电灯等。
紫外区(<0.38 m ) 可见区(0.38～0.78 m ) 红外区(>0.78 6.46% 46.25% 47.29%
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m )
标准海平面上太阳的光谱辐射照度曲线
光通过大气 层时,大气层在 不同程度上吸收 太阳辐射，而且 它们都是光谱选 择性的吸收介质。 辐射到地球上的太阳光，要穿过一层很厚的大 气层，因而太阳光在光谱、空间分布、能量大小、 偏振状态等方面都发生了变化。 10
工作原理：发光屏两电极间距离很小，只有几 十微米，在微小电压作用下，得到足够高的电场强 度，如 E=104V/cm 。粉层中自由电子在强电场作用 下加速获得很高的能量，撞击发光中心，使其受激 而处于激发态。当激发态复原为基态时产生复合发 光。由于荧光粉与电极间有高介电常数的绝缘层， 自由电子并不导走，而是被束缚在阳极附近。 工作特性与所加电压 U 和 频率f 有关，当f 一定时，发 光亮度的经验公式为
氙灯内充有惰性气体 -- 氙，由两个电极之间的 电弧放电而发出强光 . 氙灯的辐射光谱是连续的，与 日光的光谱能量分布相接近；